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磨料水射流圆形零件加工技术研究 摘要 本文通过实验研究的方法，对磨料水射流切割圆形零件的加工工艺及实现方 案进行了研究。对玻璃、9 0 氧化铝陶瓷和大理石三种脆性材料的磨料水射流加 工机理的分析发现，三种材料内部微结构对其材料去除机理产生直接的影响。玻 璃材料的去除机理是由于磨粒和水射流高速冲蚀引起的脆性断裂；氧化铝陶瓷材 料的去除机理是冲击作用形成网状裂纹，导致材料晶间断裂：大理石材料的去除 机理是由于硬质相的解理断裂和弱界面处的相间断裂。 磨料水射流加工在切口形成过程中出现冲蚀延时现象，从而在直线切割时形 成切口斜度，在圆形零件切割时形成切口锥度。切割圆形零件时，射流内侧速度 降低，外侧速度增加，使圆形零件切口形状出现不对称性。对于玻璃、氧化铝陶 瓷和大理石等三种材料，其切口内壁切割速度相对降低，内壁锥度相对较小，这 有利于以内壁作为零件表面的切割加工；切口外壁切割速度相对增加，其锥度相 对较大，而且射流反射区向外壁倾斜，这不利于以外壁作为零件表面的切割加工。 实验研究了射流压力、靶距、切割速度和切割半径对切口光滑区切割深度和光滑 区锥度的影响。结果表明，射流压力增大时，形成的切口光滑区切割深度增大， 而光滑区锥度减小；靶距增大时，切口光滑区切割深度减小，而光滑区锥度随靶 距的增大而先降后升，存在一个最优靶距；切割速度增加时，光滑区切割深度减 小，而光滑区锥度增大，切口的加工质量变差；切割半径减小时，光滑区切割深 度增大，而光滑区锥度减小。 采用正交实验和极差分析，对圆形零件的切割工艺参数进行了实验优化。结 果表明，圆形零件切割半径对光滑区切割深度和光滑区锥度的影响最大，而靶距 和切割速度的影响较小。对实现圆形零件射流加工的技术方案进行了初步论证和 设计，确定了工作台回转的运动方案，通过控制永磁直流伺服电机转动，达到对 工件的曲面切割。通过对圆形零件射流喷射系统的研究和工作台装置的设计，辅 助以喷嘴摆动加工技术，可以很好地提高磨料水射流切割圆形零件时的加工质量。 关键词：磨料水射流加工，加工机理，切口锥度，喷嘴摆动，圆形零件切割 本研究得到国家杰出青年科学基金海外青年学者台作研究基金资助( n o5 0 3 2 8 5 0 5 ) a s t u d yo na b r a s i v ew a t e r j e tm a c h i n i n gt e c h n o l o g y f o rc i r c u l a rp a n s a b s t r a c t a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo na b r a s i v ew a t e r j e t c u t t i n gp r o c e s sa n ds t r a t e g y f o r c i r c u l a rp a r t sw a sc o n d u c t e d b ya n a l y z i n gm a c h i n i n gm e c h a n i s m so ft h r e ek i n d so f b r i t t l em a t e r i a l ss u c ha sg l a s s ，9 0 a l u m i i l aa n dm a r b l ew h i c ha r ec u tb ya b r a s i v e w a t e r j e t i ti sf o u n dt h a tm i c r o s 仃飞l c n l r _ eo f t h e s em a t e r i a l sh a v ed i r e c te 丘b c to nm a t e r i a l r e m o v em e c h a n i s m s t h em a t e r i a lr e m o v i n gm e c h a n i s mo fg l a s si na b r a s i v ew a t e r j e t c u t t i n gi sb r i t t l ef r a c t u r ei n d u c e db yh i 曲s p e e de r o s i o no fa b r a s i v e sa n dw a t e r j e t t h e m a t e r i a lr e m o v i n gm e c h a n i s mo f9 0 a l u m i n ai si n t e r g r a n u l a r 加c t i l r ec a u s e db y n e t w o r kc r a c k si n d u c e db yi m p a c t t h em a t e r i a lr e m o v i n gm e c h a n i s mo fm a r b l e i n c l u d e sc l e a v a g eo fh a r dp h r a s e sa n di n t e r p h a s ec r a c ka l o n gt h ew e a ki n t e r f a c e s b e t w e e nd i f f e r e n tp h a s e s p h e n o m e n o no fe r o s i o nd e l a yi nf o r m i n gk e r f sb ya b r a s i v ew a t e r j e tw i l lc a u s ek e r f i n c l i n ei ns t r a i g h tc u t t i n go rk e r ft a p e ri nc i r c u l a rc u t t i n gp r o c e s s i nc u t t i n gc i r c u l a r p a r t s ，t h et r a v e ls p e e do nj e ti n s i d ew a l li sl o w e rt h a nt h a to nj e to u t s i d ew a l l , s ot h ek e r f o fc i r c u l a rp a r ti sn o ts y m m e t r i c a l f o rg l a s s ，a l u m i n aa n dm a r b l e ，t h el o w e rt r a v e l s p e e do nj e t i n s i d ew a l lw i l lm i n i m i z et h ek e r rt a p e ro ni n s i d ew a l lo fk e r ft h i si s a d v a n t a g e o u st oc u t t i n go fc i r c u l a rp a r t sw h o s ei n s i d ew a l li sr e g a r d e da st h ep a r t s u r f a c e o nt h ec o n t r a r y , t h eh i g h e rt r a v e ls p e e do no u t s i d ew a l lw i l lc a u s eg r e a tk e r f t a p e r o no u t s i d ew a l lo fk e r fa n d j e tu p w a r d d e f l e c t i o nz o n e t h e s ea r en o t a d v a n t a g e o u st oc u t t i n go f c i r c u l a rp a r t sw h o s eo u t s i d ew a l li sr e g a r d e da sp a r ts u r f a c e t h ee f f e c to f j e tp r e s s u r e ，s t a n d o i f , t r a v e ls p e e da n dc u r i n gr a d i u so nt h ec u td e p t ha n d k e r ft a p e ro fs m o o t hz o n ew a si n v e s t i g a t e d i ti si n d i c a t e dt h a tt h ec u td e p t ho fs m o o t h z o n ee n h a n c e sa n dt h ek e r ft a p e ro fs m o o t hz o n em i n i s h e sw h e nt h ej e tp r e s s u r e i n c r e a s e s t h ec u td e p t ho fs m o o t hz o n er e d u c e s ，w h e r e a st h ek e r f t a p e ro fs m o o t hz o n e f i r s tr e d u c e sa n dt h e ni n c r e s e sw h e nt h es t a n d o f fe n h a n c e s s ot h e r ei sa no p t i m u m s t a n d o f f t h ec u td e p t ho fs m o o t hz o n er e d u c e sa n dt h ek e r ft a p e ro fs m o o t hz o n e i n c r e a s e s ，a n dh e n c et h ek e r fq u a l i t yd e g r a d e sw h e nt h et r a v e ls p e e di n c r e a s e s t h ec u t d e p t ho fs m o o t hz o n ei n c r e a s e sa n dt h ek e r ft a p e ro fs m o o t hz o n em i n i s h e sw h e n c u t t i n gr a d i u sr e d u c e s b yo r t h o g o n a lt e s ta n dr a n g ea n a l y s i s ，t h ec u r i n gp a r a m e t e r so fc i r c u l a rp a r t sw e r e i i e x p e r i m e n t a l l yo p t i m i z e d e f f e c to f c u t t i n gr a d i u so nc u td e p t ha n dk e r f t a p e ro f s m o o t h z o n ei sl a r g e s ta n dt h a to ft h es t a n d o f fa n dt r a v e ls p e e di sl e s t n o z z l eo s i l l a t i o n m a c h i n i n gs t r a t e g yf o rc i r c u l a rp a r t si sd e m o n s t r a t e da n dd e s i g n e d i nt h em o t i o nd e s i g n ， t h ew o r k t a b l ei sd r o v e db yp e r m a n e n tm a g n e t i cd i r e c tc u r r e n ts e r v om o t o rt oc u tc n r v e b ys t u d y i n gt h ej e ts y s t e mf o rc u t t i n gc i r c u l a rp a r t sa n dw o r k t a b l ee q u i p m e n ta s s i s t e d b yn o z z l eo s c i l l a t i o nt e c h n i q u e ，t h ec u t t i n gq u a l i t yo fc i r c u l a rp a r t sb ya b r a s i v ew a t e r j e t c a nb ea d v a n c e dg r e a t l y k e y w o r d s ：a b r a s i v ew a t e r j e tm a c h i n i n g ，m a c h i n i n gm e c h a n i s m ，k e r ft a p e gn o z z l e o s c i l l a t i o n ，c i r c u l a rp a r tc u t t i n g + o u t s t a n d i n gy o u n gs c h o l a rs c i e n c ef o u n d a t i o no fn s f c i n t e r n a t i o n a lc o l l a b o r a t i v er e s e a r c h f o u n d a t i o n ( n o 5 0 3 2 8 5 0 5 ) 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：斗日期： r i ，p 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 垂叠 导师签日期：，fg - z ， 第 1 章绪论 第1 章绪论 高压水射流技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的- - n 技术，其应用日趋广泛。 它是将具有一定压力的水通过直径较小的喷嘴形成射流，将这股水射流作为工具 进行切割、破碎和物料清洗。 水射流加工一开始就受到工业发达国家的重视，目前国际上已先后成立了英 国流体研究中心( b h i g ) ，日本国际水射流协会( i s w j t ) ，美国水射流协会( w j t a ) 。 并举行了二十多届水射流学术会议。 我国的水射流技术，始于2 0 世纪5 0 年代，主要应用在矿业运用与开发，压 力为中高压水平，在2 0 世纪8 0 年代才引进超高压水射流设备，主要应用在航空 业。国内的许多学者和研究者做了大量的工作，并取得了一些具有较高水平的成 果，但是其应用领域依然集中于油田、清洗和矿山开采等方面。 1 1 概述 在1 9 世纪中叶，在北美洲第一次使用了高压水射流开采非固结的矿床。2 0 世 纪5 0 年代初，苏联和中国的水力采煤就是利用水射流的冲击和输送作用。随着水 力采煤技术的推广，高压水射流技术也得到了很好的发展。人们开始研制较高压 力的压力源( 高压泵和增压器) 及高压脉冲射流。 进入2 0 世纪6 0 年代大批高压柱塞泵和增压器的问世，大大推动了高压水射 流的研究工作。当时部分学者片面认为高压水射流的压力越高越好，基于这一观 点，日本研制出了1 7 0 0 m p a 的增压器，苏联和美国研制出了压力高达5 6 0 0 m p a 的 脉冲射流发生器。 2 0 世纪7 0 年代末，研究方向开始转向提高和发挥水射流的威力。开始出现了 高频冲击射流、共振射流和磨料射流，这些射流的压力并不高，但它们的威力却 大大高于同样压力的普通连续水射流。 进入2 0 世纪8 0 年代以后，磨料射流、空化射流和气水射流的发展，使高压 水射流技术发展到了一个新的阶段。同时，对各种射流的基础理论、切割机理等 方面的研究也开始展开。高压水射流的应用范围也由单纯的采矿工业扩大到航空、 建筑、化工、冶金、市政工程、纺织，金属切割及医学等领域。 随着超高压泵、液压缸及超高压传输管路等部件的发展，超高压水射流n - r 山东大学硕十学付论文 i 技术正逐步走向成熟。目前，磨料水射流加工已经几乎可以应用于国民经济的各行 各业 1 4 】，其应用范围逐渐扩大。加工材料从纸张、布料等软材料到塑料、复合材 料、有色金属、钛合金、不锈钢以及玻璃、岩石等材料。加工方式从切割、清洗 到成形h h - r 、磨削复杂型面等，其加工形式则主要有脉冲射流、空化射流、间断 射流、气水射流、冰水射流、旋转射流以及摆动振荡射流等。 目前，水射流加工技术的主要发展趋势是【5 1 1 6 1 ： ( 1 ) 提高水射流n - r 机的可靠性和寿命，尤其是关键零部件高压泵、高压软 管、接头和喷嘴的寿命，故采取一系列防磨损的措施，使高压泵和阀体寿命达到 6 0 0 0 小时，喷嘴的寿命达到2 0 0 0 小时。 ( 2 ) 发展智能化控制，使工艺参数能在加工过程中自适应调整，以提高加工 精度，用于制作有一定精度要求的零件，达到其技术经济效果可与等离子体和激 光加工相媲美的程度。 ( 3 ) 优化工艺参数，进一步提高效率，减少磨料消耗，降低能耗，以利于成 本更具竞争力。 ( 4 ) 不断扩大水射流加工的应用范围，由二维的切割和去毛刺加工发展到孔 加工和三维型面的加工。美国f l o w 国际公司和o m a x 公司生产的水射流加工 机床的控制系统均备有内置c a d c a m ，便于复杂轮廓加工的编程和操作。同时还 能根据加工件的材料及板材厚度，自动提供最佳的切割工艺参数，有利于该项工 艺的推广。 1 2 磨料水射流切割性能的研究现状 磨料水射流切割包含了一个复杂的过程，很多学者对此进行了大量的研究， 并提出了许多磨蚀理论。比较著名的是由美国学者h a s h i s h 7 1 提出的针对韧性材料 的剪切冲蚀和变形磨损理论。 剪切冲蚀模式是由小角度冲击形成的。磨料粒子与高速水束相混合而形成固 液两相高能束流，高能束流以小角度冲击材料表面，在材料表面上产生很大的压 强。磨料水射流中的磨料，与被切割材料产生摩擦磨损，并且这两相流体对切割 材料都具有极强的冲蚀作用，在它们的共同作用下会形成具有稳定状态的切割界 面，因而能够形成光滑的断面。 2 第 1 章 绪论 变形冲蚀模式则是由大角度冲击形成的。由于存在着被弹起后在后续射流的 带动下重新参与切削的情况，因而切削是不稳定的，所形成的断面也是不光滑的， 由于在冲蚀磨损过程中磨粒变小或破损，使得磨粒能量变小，这些低能量的磨粒 不断的积聚，然后又和后续磨料一起参与切削，故形成了许多沟槽。 上述两种模式对切割总深度的相对作用时间取决于进给速度，在临界进给速 度以上，切割仅由变形冲蚀模式引起。 此外还有许多学者针对脆性材料提出其它磨损机理，但是没有被大部分人所 认同。 影响水射流切割性能的因素包括高压水射流特性、被切割物料特性以及切割 条件等。高压水射流特性是指高压水泵及其附属装置、喷嘴形状及尺寸、水射流 中的添加剂。被切割物料特性包含强度特性和物理特性。强度特性包括抗压、抗 拉、抗剪强度、坚固性系数及断裂韧性等。物理特性包括比重、弹性模量、透水 系数、空隙率及被切物料的微观组织和结构等。切割条件是指使用高压水射流加 工时的各项工艺参数的选取，包括喷嘴直径、喷出压力、靶距、切割速度、冲击 角度以及水射流在空气中还是在水中切割等 对切割性能影响比较大的因素纠2 】【8 聊水射流喷射压力、切割速度、靶距、喷 嘴直径、水射流冲击角度、重复切割次数以及喷嘴出口处环境等。 1 2 1 水射流喷射压力对切割性能的影响 水射流的喷射压力反映了水射流的速度。大量的实验表明，水射流冲击物料 时，存在着一个使物料产生破坏的最小喷射压力。当超过这个压力后，切割深度 与水射流喷射压力存在着明显的线性关系。 有学者【9 】研究了花岗岩、锻钢和铸铁的切割深度与水压的关系曲线。结果表明， 随着水压升高，切割深度几乎呈线性增加，这是由于水压升高增加了水射流的流 速，磨粒被其加速后动能增加，从而增强了对材料的磨削与冲蚀作用。还表明， 存在与材料破坏强度相关的初始切割界限压力。 1 2 2 切割速度对切割性能的影响 切割速度反映了水射流对物料的冲击时间。切割速度越小，切割深度越大， 随着切割速度的加大，开始时切割深度有明显的下降，但切割速度进一步增加时， 山东大学硕士学何论文 1 切割深度减少并不明显，最终稳定在某一切割深度。即物料的初始破坏发生在极 短的时间内，随后的工作时间是使切割深度不断增加。由于“水垫”作用，所以 切割深度的增长率是逐渐减少的 花岗岩、锻钢和铸铁的切割深度与切割速度的关系表明【9 】，切割速度提高，切 割深度减小对于花岗岩材料，切割速度为6 0 0n l r n m i n 时，切割深度达1 2 5 m m ， 而水压仅1 8 0m p a 。对于锻钢和铸铁等金属材料，宜使用较低的切割速度，获得较 深的切割深度。 1 2 3 靶距对切割性能的影响 文献【1 0 1 指出，对不同的射流条件( 压力、流量等) 、不同的使用目的( 切割、 破碎、清洗) 以及不同的切割对象来说，总存在着一最佳靶距。水射流从喷嘴喷 出后，呈液体锥形物，随着与喷嘴距离的增大，其散射半径变大。主要由初始段、 过渡区和主体段构成。在这三个区段对工件材料的冲击作用力的大小和作用形式 各不相同。对塑料和有机玻璃的喷射加工实验结果表明，靶距过小时，喷出的磨 料不能顺利散开，会导致喷嘴堵塞，靶距过大时，磨料加工效率急剧下降。 靶距对花岗岩、锻钢和铸铁切割深度的影响表明【9 1 ，当靶距为2 5 m m 时切割 深度最大。靶距大于l o m m 时，增大靶距使射流散布在更大表面积上，材料表面的 切缝宽度增加，因而切割深度明显减小。靶距对花岗岩切割深度的影响比铸铁和 锻钢要大。 1 2 4 喷嘴直径对切割性能的影响 文献【2 1 提出一个由实验结果回归出来的水射流加工石材时的切割深度计算公 式。公式表明，在保持喷射压力一定的条件下，加大喷嘴直径则增大了水射流携 带的能量，虽然会使切槽变宽，但岩石将容易破坏，切割深度也将增加。 1 2 5 水射流冲击角度对切割性能的影响 文献【2 j 指出，在切割平面内，水射流的冲击方向与喷嘴至被冲击表面垂线之间 的夹角称为水射流冲击角。在其他条件相同时，水射流在不同的冲击角下切割工 件时，将得到不同的切割深度。水射流垂直冲击工件时( 冲击角为0 。) 将得到较 大的切割深度。由于过大的冲击角会加剧射流的反射作用，降低射流的冲击能力， 因而随着冲击角的加大，切割深度将逐渐减小。冲击角度对切割性能的影响还与 4 第1 苹绪论 切割速度方向有关。冲击角偏向切割速度方向时，加长了高速水流与被切割工件 的接触时间，从而使切割深度略有增加。冲击角与切割速度方向相反时，切割后 的高速水流来不及冲刷切槽就流失了，切割深度将显著减少。 1 2 6 重复切割次数对切割性能的影响 重复切割实际上是增加了水射流冲击工件材料的时间。苏联采矿研究所实验 得到的切割深度与切割次数的关系曲线表明，在一个切槽内重复切割时，最初的 3 - 5 次切割起主要作用。此后再增加切割次数，切割深度增量甚小，切槽深度到达 一定数值后，不再受切割次数的影响。这可能是深度增加，靶距增大，射流的有 效作用降低的原因。日本学者山门宪雄对水射流重复切割岩石的实验表明，在切 割硬岩时，重复切割很有效，所耗能量比一次到达相当深度所耗能量要低 2 1 。 花岗岩、锻钢和铸铁的切割深度与切割次数的关系表明【9 l ，当第一次切割之后， 第二次沿原切缝切割时，切割深度增量随实际靶距的增大而减少，当切割次数超 过3 次以后，切割深度增量明显减少。 1 2 7 喷嘴出口处环境对切割性能的影响 文献1 2 】指出，在空气中切割工件材料时，主要是射流的冲击能力。如果水射流 在水中切割破碎物料时，即为淹没水射流切割。在淹没水射流( 即在水中) 切割 工件材料时，气蚀破坏起主要作用。在水中切割时，射流衰减较快，靶距极限值 降低。水射流周围的环境水压对切割深度有一定的影响。其它条件相同时，除花 岗岩外，在水中切割比在空气中切割深度要大一些。 1 2 8 磨料粒度和磨料流量对切割性能的影响 磨料粒度和磨料流量对切割深度有一定的影响【l ”，磨料粒度增大，磨料颗粒 的外形表面相对较光滑，切割刀刃的棱角减少，切割能力有所下降，切割深度减 少。磨料流量增大会增加切割深度，增大到超过界限值后，磨料颗粒在喷嘴处相 互干涉，反而会降低冲击作用力。 磨料粒度对工件表面的材料去除量影响较大，磨粒的分布对光整加工的质量 有很大的影响l ”j 。 有学者研究表明1 9 i ，对于同一种磨料以6 0 目的粒度为最佳。这是由于在磨料 混合管几何参数一定的条件下，为实现水射流对磨粒加速就要求磨粒具有合适的 山东大学硕十学付论文 粒度。大颗粒惯性大，不易被加速，小颗粒质量小，被加速后动能小，不具有较 强的切割能力。只有合适的粒度，才有最强的切割能力。研究证明，白刚玉的切 割能力虽高于天然磨料数倍，但对磨料混合管的磨损却是天然磨料的数十倍，而 且白刚玉价格昂贵。因此，选用我国富产的粒度6 0 目的天然磨料比较适宜。 锻钢、铸铁和花岗岩的切割深度与磨料供给量的变化关系表明【9 】，切割深度随 磨料供给量的增加而增大，到达峰值区后，再加大磨料供给量，磨粒间相互碰撞 的机率随之增加，消耗了磨料水射流的部分能量，反而使切割深度减小。 1 3 磨料水射流加工工艺的研究现状 1 3 1 倾角切割 倾角是指射流方向与加工表面之间的夹角，研究表明【1 3 】，加工塑性材料与加 工脆性材料的倾角是不一样的。加工塑性材料的倾角为1 5 2 0 。时，材料切除率最 高，加工脆性材料时的倾角为8 0 8 5 。时，材料的切除率最高。这是因为，磨料切 削塑性材料的微观机理是微切削，需要刀具保持锋利的角度，而切割脆性材料时， 大部分是冲击产生微裂纹，随后裂纹扩展，材料迸裂，属于脆性破坏。 1 3 2 多次切割工艺 多次切割是快速移动喷头，对同一切e l 进行多次切割。研究表明【”】，当射流 速度和流量不变时，第二次切割的深度比第一次切割时的深度小，此后依次类推， 这是因为，实际靶距在每一次切割结束后增大，从而降低了材料的冲击能量。另 外，在相同的时间内，多次切割不仅可以增加光滑切割深度和总切割深度，而且 可以减小切口面的斜度，即采用多次切削既可以提高切削质量，也可以提高切削 效率。 “ 1 3 3 摆动切割工艺 l c h e n 、e s i o r e s1 1 4 1 以氧化铝陶瓷作为试样，研究了射流入射角对加工质量 的影响，l c h e n 发现当入射角为5 1 0 。时，切割深度最大，因此他提出用喷嘴摆 动技术来提高光滑区切割深度，结果发现，采用喷嘴摆动技术可使光滑区切割深 度增加3 0 ，最佳的摆动角度为1 5 2 0 。，最佳的摆动频率视切割速度而定。 j w a n g ”1 研究了用喷嘴摆动方法加工8 7 氧化铝陶瓷，结果表明，与大角度 摆动切割相似，以小角度摆动切割同样可获得较高的加工质量，如果合理地选择 6 第 1 章绪论 加工参数，小角度摆动切割可使切割深度增加2 3 ，锥度减小5 4 ，可大大降低 表面粗糙度。 k e y u r k u m a r 【1 6 1 分别用垂直切割和摆动切割m 酣( a l9 2 7 4 ，m g4 3 2 ， m n1 8 7 ，f e1 0 7 ) 和5 m n ( f e5 0 5 5 ，s i2 2 3 7 ，m g9 1 4 ，c a9 1 4 ， 面2 1 3 ，m n1 6 3 ) 分析了在不同的切割深度处，垂直切割和摆动切割对粒子嵌 入的影响。结果表明，随切割深度增加，粒子嵌入减小，摆动切割比垂直切割好， 特别对韧性材料来说，摆动切割的粒子嵌入比垂直切割少1 0 倍。 有研究表明【1 5 】【1 _ 7 】1 1 $ 1 1 1 9 1 ，随着水射流切割深度的增加，其表面粗糙度也相应 增加。在增加同样切割深度的条件下，直射加工的平均粗糙度是摆振加工的三倍。 例如，切割深度在8 m m 时，直射加工的平均粗糙度为1 5 0 微米，摆振加工的平均 粗糙度为5 0 微米。切割深度到达1 5 r a m 时，直射加工粗糙度超过6 0 微米。摆振 加工粗糙度在切割深度为2 0 m m 时为6 0 微米。同时发现，在任何切割深度下，摆 振射流加工的表面质量比直射流加工提高近1 0 0 。摆振加工形成的平均条纹高度 比直射加工形成的要低1 8 0 。直射加工的粗糙度要比摆振加工的高近4 0 0 。例 如，加工深度在2 m m 时，摆振加工的平均粗糙度为8 微米，直射加工平均粗糙度 为3 2 微米。摆振加工质量优于直射加工可能是因为摆振加工时，磨料射流粒子能 更均衡的作用于被加工表面。 1 4 喷嘴摆动机构的研究现状 目前应用的摆动机构主要有连杆机构、偏心凸轮、液压马达、电机控制等形 式。无论连杆曲柄摆动还是凸轮连杆摆动，其运动轨迹精度低，而且机构磨损快， 不易实现复杂的运动。电机控制的优点是加工精度高、加工速度快、加工效率高、 易于实现对复杂图形的控制。 根据实际需要及功能的要求，对各个方向采用不同的驱动电机，同时采用软 件编程实现对运动的实时控制。 目前磨料水射流喷嘴摆动加工技术主要应用于直线切割工艺中，在曲线切割 加工工艺中尚未见报道。 1 5 本课题研究的目的、意义和主要研究内容 大量的研究表明，在提高切割表面质量和切割效率方面，磨料水射流喷嘴摆 7 山东大学硕十学付论文 动加工技术是有效的方法之一，但是该技术目前仅能用于直线切割加工工艺中， 限于目前喷射系统的运动和结构特点，磨料水射流喷嘴摆动加工技术无法在曲线 切割加工工艺中应用。本文在研究传统磨料水射流加工圆形零件技术的基础上， 提出了磨料水射流喷嘴摆动加工圆形零件的技术思想，并对其技术实现方案进行 了探讨。对于推动磨料水射流喷嘴摆动加工技术发展和应用，具有重要的理论意 义和实际应用价值。 本文通过实验研究的方法，对磨料水射流圆形零件运动加工工艺及摆振条件 下加工圆形零件的实现方案进行了研究。 ( 1 ) 首先对磨料水射流加工脆性材料时去除机理进行实验分析，研究不同材 料去除机理和材料冲蚀率对零件切口的形成和质量的影响。 ( 2 ) 再通过对磨料水射流圆形零件切割工艺的分析，总结出圆形零件切割时 零件切口形成过程特点和圆形零件切割形成的切口的几何特点； ( 3 ) 通过实验研究，分析各主要工艺参数对切口质量产生的不同影响； ( 4 ) 通过正交实验和极差分析的方法，对玻璃、氧化铝陶瓷、大理石三种材 料的圆形零件切割进行工艺优化； ( 5 ) 提出摆振条件下磨料水射流加工圆形零件的技术方案。 第2 章磨料水射流切割硬脆工件材料时 的加工机理分析 磨料水射流的切削作用主要由磨料来完成的，麽料被吸入混合室后，受到高 压水的高速冲击，因此磨料的速度急剧增加，其结果是形成了高速磨料流，并以 极高的速度经磨料喷头喷出冲击工件。磨科流冲击工件后，材料上局部应力场应 力高速集中，并快速变化，因而产生冲蚀、剪切，直至材料失效而被切除。 在磨料水射流中，水射流作为载体使磨料粒子加速，由于磨料质量大，硬度 高，所以磨科水射流与纯水射流比较，其射流动能更大，切割效能更强。磨料在 切割加工中起到的作用占9 0 左右，可见磨料在水射流切割加工中的作用不可低 估，一般常用于水射流的磨料为石榴石、氧化铝、碳化硅及氮化硅等材料( 2 2 0 1 。 2 1 磨料水射流的加工机理分析 在磨料水射流加工中，脆性材料是在廓料水射流的冲蚀、剪切作用下被去除1 的。对于脆性材料来讲，磨料的冲蚀作用和水射流的“水楔”作用是主要的材料 去除过程。 2 1 1 磨料对脆性材料的冲蚀机理 单磨柁冲蚀是磨料水射流去除材料过程中的基本作用过程。根据相天文献报道； 1 2 恤l ，脆性材料在麽料水射流加工中的材料去除机理分为六种：( 1 ) 锥形裂纹、 ( a ) 小角度冲蚀 一 荔裂纹歪统荔荔参缍荔毳荔黝 ( b ) 大角度冲蚀 图2 - - 1 单颗粒冲蚀模酗矧 9 山东大学硕十学何论文 径向和侧向裂纹系统；( 2 ) 穿晶和晶间断裂；( 3 ) 环形裂纹：( 4 ) 微破碎；( 5 ) 塑性变形和熔化：( 6 ) 混合型损伤。其中锥形裂纹、径向和侧向裂纹系统是脆性 材料加工中最常见的材料冲蚀机理。 脆性材料的去除机理模型大多以压痕断裂力学为基础建立。目前，大多数已 有的脆性材料冲蚀模型的基本形式可总结为【2 5 】： v m _ c l 俜卜咿k 即旨 ( 2 _ 1 ) 式中，d p 是磨粒直径( n u n ) ，v 。是磨粒速度，h m ，k i c e m 分别是被冲蚀材 料的硬度、断裂韧性( k g m m - 3 2 ) 和弹性模量( g f a ) ，c l ，c 2 ，c 3 ，c 4 ，c 5 ，c 6 是回归常数。不同的研究者所得到的回归常数各不相同。由此可见，对于同一种 材料来讲，单颗粒材料去除量的大小主要取决于磨粒速度v ，和磨粒粒径大小d ，。 在相同的工艺条件下，不同的材料由于其材料性能的不同，单颗粒材料去除量的 大小也会不同。 2 1 2 水射流对脆性材料的。水楔”作用 ， 在磨料水射流加工中高速水射流对材料去除的作用主要是磨料加速载体的作 用和“水楔”作用【2 6 , 2 7 1 。脆性材料磨料水射流d n - r ，材料的去除机理是磨料粒 子和“水楔”的共同作用f 2 8 】。磨粒的碰撞作用使材料产生微裂纹，高速水射流进 图2 2 水楔的作用口q i o 歪2 耋重i ! 盔型运翅型堡蹩：丛盟型盟丝蛰：墨垄坌堑 入到裂纹中，并在水压的作用下使裂纹扩展。大多数材料存在缺陷，例如孔洞和 微裂纹等。这样的材料可以被高速水射流有效地加- f p 0 , 3 “。高速水射流进入微裂 纹中，并在裂纹壁上形成一定的压应力，当压应力强度超过材料微裂纹扩展的临 界值后，微裂纹将发生扩展。几条微裂纹的交接便形成网状裂纹，材料从而得以 去除。脆性材料在水射流作用下由于水楔作用而去除的水射流临界速度条件如下： v o c , o 。惫 q 之 式中，v 。是高速水射流能够实现微裂纹扩展的临界速度( m s ) ，k 。是材料 的断裂韧性( k g n l l n d 尼) ，1 0 是微裂纹长度( r 岫) 。如果对于理想的无缺陷的材料 来讲，l 。= 0 ，则、k 为无穷大，材料不能被水射流去除。但是大多数材料是具有 某种程度的内部缺陷的，因而从理论上讲，只要水射流达到一定的速度，就可以 实现材料去除。 2 2 磨料水射流切割硬脆工件材料时的加工机理分析 2 2 1 实验设备 本实验采用s q l 3 1 3 a s ( f l o w ) 数控水射流切割机。切割机由超高压水射流 发生装置、切割平台和电控柜组成。超高压水射流发生装置主要有增压泵、蓄能 器和超高压输水管路。增压泵可将水压增至4 3 0 m p a 。切割平台采用龙门式结构， 切割头在交流伺服电机的带动下，可实现x 、y 和z 三个坐标轴的移动。切割头 中的水喷头直径为0 3 3 m m ，混合管直径为0 7 8 m m ，长度为7 5 m m 。 2 2 2 实验材料 本实验选择玻璃、氧化铝陶瓷和大理石三种工件材料进行切割实验。 表2 一l 工件材料性能 工件材料 密度【g ，c m 3 】 莫氏硬度抗弯强度【m p a l 玻璃 2 555 0 9 0 氧化铝陶瓷 3 6 93 0 0 大理石 2 74 2 0 山东大学硕十学付论文 量詈曹量! 皇曼皇詈詈! 曼曼詈皇皇曼詈詈詈皇詈! 皇皇詈皇詈! 詈詈皇詈皇詈皇詈毫曼曼鼍詈皇曼鲁詈鲁皇皇暑皇詈詈鼍詈詈詈皇詈! 詈高 2 2 3 实验条件 实验时水的压力为2 8 0 m p a ，喷嘴移动速度为6 0 0 r a m r a i n ，喷嘴靶距为5 m m 。 喷嘴入射角度为9 0 0 ，实验采用的磨料是铁铝石榴石，硬度为莫氏硬度8 ，密度为 4 0 9 c m 3 ，磨料流量为1 5 9 s ，粒度8 0 4 。 2 2 4 磨料水射流切割脆性材料时加工机理的扫描电镜分析 为了对脆性材料去除机理和加工中的其它重要现象进行研究，本文对玻璃、 9 0 氧化铝陶瓷和大理石三种工件材料，在磨料水射流加工过程中的材料去除机 理进行了扫描电镜分析。1 ； 图2 3 和图2 4 是磨料水射流9 0 0 冲蚀表面和距表面的s e m 照片，实验观 察结果表明，三种不同材料在磨料水射流冲蚀作用下所表现出的材料去除机理存 在明显不同，表现出材料自身结构特点对材料去除方式有较明显地影响( 如图2 - - 3 ，2 4 所示) 。 ( a ) 玻璃 c a ) 玻璃 ( b ) 氧化锚陶瓷( c ) 大理自 图2 - - 3 磨料水射流9 0 。冲蚀表面 ( b ) 氧化锚陶瓷 ( c ) 人理钿 图2 4 磨料水射流9 0 0 冲蚀亚表面 1 2 第2 章磨料水射流切割硬脆t 什材料时的加t 机理分析 玻璃内部无晶界，气孔和夹杂等缺陷较少，是一种均质材料，其抗压强度和 硬度较高，但抗拉强度较低，表现出较大的脆性【3 2 i 。在玻璃试样的加工表面上， 可以观察到冲击裂纹和准静态裂纹冲击裂纹细密交错，在磨料碰撞接触区密度 很高，产生的冲蚀碎屑细小。在冲蚀表面上，可以清晰的观察到中位，径向裂纹和 横向裂纹等准静态裂纹。这些裂纹的密度较低，但尺寸相对较大。横向裂纹的扩 展和与中位径向裂纹的相交，导致材料大块断裂、脱落。中位径向裂纹向玻璃材 料内部扩展较深，在玻璃亚表面有清晰的中位径向残余裂纹。玻璃的冲蚀表面主 要由细碎的脆性断裂面组成，没有塑性流动的痕迹。玻璃材料磨料水射流加工的 扫描电镜分析表明，玻璃大角度冲蚀的材料去除机理是由于磨粒、水射流高速冲 蚀引起的脆性断裂。 氧化铝陶瓷材料是一种多晶材料，其强度、硬度高，耐磨性好，是一种难加 工材料。氧化铝陶瓷内部存在晶界、气孔、夹杂等缺陷，这些缺陷会对材料冲蚀 机理产生直接影响。实验中发现，由于氧化铝陶瓷的强度高、硬度大，磨粒水射 流在材料表面形成的冲击裂纹非常细小，裂纹沿晶界方向扩展，形成局部材料的 沿晶断裂。冲击形成的亚表面裂纹、横向裂纹和中位径向裂纹材料相交，形成网 状裂纹，使材料成小块状剥落。在氧化铝陶瓷表面没有发现象玻璃材料那样的大 块材料剥落，裂纹向材料内部扩展不明显，亚表面残余裂纹较少。另外，磨料水 射流在材料内部缺陷处会形成冲蚀集中，使气孔扩大和裂纹扩展。氧化铝陶瓷材 料磨料水射流加工的扫描电镜分析表明，氧化铝陶瓷大角度冲蚀的材料去除机理 主要是由于冲击作用形成网状裂纹，导致材料晶间断裂，产生小块状剥落，另外 射流在材料缺陷处形成的冲蚀集中，会加速材料的去除。 大理石是一种非均质的多相材料，其抗拉强度低，脆性大。在其内部存在许 多缺陷，如：气孔、裂纹和不同相之间的弱界面。这些缺陷大大降低了大理石的 强度。大理石在磨料水射流的作用下，材料的去除主要表现为两种现象，一是大 理石中硬质相的解理断裂；二是大理石中缺陷处的冲蚀集中。其中缺陷处的冲蚀 集中表现得比较突出，尤其是在弱界面处的冲蚀集中，使材料相间出现裂纹并进 而扩展形成相问断裂，甚至将较小的单相颗粒整个剥落。材料的解理断裂和相间 裂纹扩展长度很长，有些深入到材料亚表面，形成宏观残余裂纹。大理石材料磨 料水射流加工的扫描电镜分析表明，大理石大角度冲蚀的材料去除机理主要是硬 山东大学硕七学付论文 质相的解理断裂和弱界面处的相间断裂。 2 2 5 玻璃、氧化铝陶瓷和大理石材料冲蚀率的比较 基于上述对三种材料去除机理的扫描电镜分析，本文对玻璃、氧化铝陶瓷和 大理石材料的冲蚀率进行了比较。 冲蚀率对比实验的实验条件为：射流压力为2 8 0 m p a ，靶距为5 m m ，射流移 动速度为6 0 0 m m m i n ，冲蚀角度为9 0 0 ，磨料是铁铝石榴石，粒度8 0 。，硬度为莫 氏硬度8 ，密度为4 0 9 c m 3 ，磨料流量为1 5 9 s 。三种材料的冲蚀率对比如图2 - - 5 所示。 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 ，。 _ 一 - 一 ， ，。 _ _ 一 t _ 一 # ，。 _ _ 一 一曩融 ， 大坶石玻璃 图2 5 不l 司材科的冲蚀率比较 由图2 5 可以看出，大理石、玻璃和氧化铝陶瓷三种材料的冲蚀率分别为 1 2 8 4 4 m g s ，1 0 3 6 3 m g s 和2 1 7 m g s 。其中大理石的材料冲蚀率最大。氧化铝陶 瓷的材料冲蚀率最低。而三种材料的抗弯强度分别为2 0 m p a 、5 0m p a 和3 0 0m p a 。 这说明，不同材料的冲蚀率与材料的强度有直接的关系。对于强度高的材料，如 氧化铝陶瓷，磨料水射流产生的裂纹细小，材料主要以小块剥落的形式去除，因 而其材料冲蚀率较低。对于强度低的材料，磨料水射流产生的冲蚀作用易于使材 料产生大范围的脆性断裂，因而材料的冲蚀率较高。尤其象大理石这样的多相材 料，虽然也具有强度、硬度都较高的硬质相，但由于在相间存在较多弱界面，磨 料水射流会使材料产生大块的晶间和相间断裂，因而其冲蚀率最大。 1 4 第2 章磨科水射流切割硬瞻工件材料时的加丁机理分析 2 3 本章小结 ( 1 ) 对玻璃、9 0 氧化铝陶瓷和大理石三种脆性材料的磨料水射流加工机理 实验发现，三种材料内部微结构对其材料去除机理产生直接的影响。玻璃材料的 去除形式主要是由于磨粒、